Pesquisadores modificaram certas bactérias com luz UV para que produzissem mais celulose. A base para isso é uma nova abordagem com a qual os pesquisadores geram milhares de variantes bacterianas e selecionam aquelas que se desenvolveram para as mais produtivas.
Bactérias produzem materiais que são de interesse para humanos, como celulose, seda e minerais. A vantagem de produzir bactérias dessa forma é que é sustentável, ocorre em temperatura ambiente e em água. Uma desvantagem é que o processo leva tempo e dá origem a quantidades muito pequenas para serem de uso industrial.
Consequentemente, pesquisadores vêm há algum tempo tentando transformar microrganismos em mini-fábricas vivas que podem produzir maiores quantidades de um produto desejado mais rapidamente. Isso requer intervenção direcionada no genoma ou o cultivo das cepas bacterianas mais adequadas.
Uma nova abordagem está sendo apresentada pelo grupo de pesquisa liderado por André Studart, Professor de Materiais Complexos na ETH Zurique, usando a bactéria produtora de celulose Komagataeibacter sucrofermentans. Seguindo os princípios da evolução por seleção natural, o novo método permite que os cientistas produzam dezenas de milhares de variantes da bactéria muito rapidamente e selecionem as cepas que produzem mais celulose.
K. sucrofermentans produz naturalmente celulose de alta pureza, um material que tem grande demanda para aplicações biomédicas e produção de material de embalagem e têxteis. Duas propriedades desse tipo de celulose são que ela auxilia na cicatrização de feridas e previne infecções. “No entanto, as bactérias crescem lentamente e produzem quantidades limitadas de celulose. Portanto, tivemos que encontrar uma maneira de aumentar a produção”, explica Julie Laurent, candidata a doutorado no grupo de Studart e primeira autora de um estudo que acaba de ser publicado no periódico científico PNAS.
A abordagem que ela desenvolveu conseguiu produzir um pequeno número de Bactéria Komagataei variantes que geram até setenta por cento mais celulose do que em sua forma original.
Acelerando a evolução com luz UV
O pesquisador de materiais primeiro teve que criar novas variantes da bactéria original que ocorre na natureza – conhecida como tipo selvagem. Para fazer isso, Julie Laurent irradiou as células bacterianas com luz UV-C, que danifica pontos aleatórios do DNA bacteriano. Ela então colocou a bactéria em uma sala escura para evitar qualquer reparo do dano ao DNA e, assim, induzir mutações.
Usando um aparelho em miniatura, ela então encapsulou cada célula bacteriana em uma pequena gota de solução nutritiva e permitiu que as células produzissem celulose por um período específico de tempo. Após o período de incubação, ela usou microscopia de fluorescência para analisar quais das células tinham produzido muita celulose e quais tinham produzido nenhuma ou muito pouca.
Por meio de um sistema de classificação desenvolvido pelo grupo do químico Andrew De Mello, a equipe de Studart classificou automaticamente as células que evoluíram para produzir uma quantidade excepcionalmente grande de celulose. Este sistema de classificação é totalmente automatizado e muito rápido. Em questão de minutos, ele pode escanear meio milhão de gotículas com um laser e classificar aquelas que contêm mais celulose. Restaram apenas quatro que produziram de 50 a 70 por cento mais celulose do que o tipo selvagem.
O evoluído K. sucrofermentans células podem crescer e produzir celulose em esteiras em frascos de vidro na interface entre o ar e a água. Tal esteira pesa naturalmente entre dois e três miligramas e tem cerca de 1,5 milímetros de espessura. As esteiras de celulose das variantes recém-evoluídas são quase duas vezes mais pesadas e grossas que o tipo selvagem.
Julie Laurent e seus colegas também analisaram essas quatro variantes geneticamente para descobrir quais genes foram alterados pela luz UV-C e como essas mudanças levaram à superprodução de celulose. Todas as quatro variantes tinham a mesma mutação no mesmo gene. Este gene é o modelo para uma enzima degradadora de proteínas – uma protease. Para a surpresa do pesquisador de materiais, no entanto, os genes que controlam diretamente a produção de celulose não mudaram. “Suspeitamos que essa protease degrada proteínas que regulam a produção de celulose. Sem essa regulação, a célula não pode mais parar o processo”, explica o pesquisador.
Patentes pendentes
A nova abordagem é versátil e pode ser aplicada a bactérias que produzem outros materiais. Essas abordagens foram desenvolvidas originalmente para criar bactérias que produzem certas proteínas ou enzimas. “Somos os primeiros a usar essa abordagem para melhorar a produção de materiais não proteicos”, diz o professor André Studart da ETH. “Para mim, esse trabalho é um marco.”
Os pesquisadores solicitaram uma patente para a abordagem e variantes bacterianas mutantes.
Em um próximo passo, eles gostariam de colaborar com empresas produtoras de celulose bacteriana para testar o novo microrganismo em condições industriais reais.
Referência
Laurent JM, Jain A, Kan A, Steinacher M, Enrriquez Casimiro N, Stavrakis S, deMello AJ, Studart AR: Evolução direcionada de microrganismos produtores de materiais. PNAS, 23 de julho de 2024, 121 (31) e2403585121, doi: 10.1073/pnas.2403585121
Peter Rügg (Pedro Rügg)